Силовой электронный ключ на мощном полевом транзисторе предназначен для коммутации мощных нагрузок с гальванической развязкой силовой цепи от цепи управления. Коммутируемый ток, напряжение и сопротивление ключа в открытом состоянии определяются типом примененного полевого транзистора и могут изменятся в пределах от единиц до тысячи ампер, от десятков до сотен вольт и от тысячных долей до единиц Ом. Напряжение гальванической развязки определяется типом применённого оптрона и может составлять единицы киловольт. Данный ключ является аналогом электромагнитного реле с одним ключом, но превосходящий аналог по числу коммутаций, быстродействию, надежности и, кроме того, совместим по управлению с логическими микросхемами. Довольно часто требуется коммутировать нагрузку, подключенную сети переменного тока. Как правило, в подобных устройствах используются электромагнитные реле или тиристоры. Реле требуют большую мощность управляющих сигналов и имеют низкое быстродействие. Тиристоры плохо работают с нагрузкой, потребляемый ток которых сравним с током удержания тиристора. Кроме этого тиристоры создают помехи (если момент включения не совпадает с моментом перехода сетевого напряжения через нуль). Мощные полевые транзисторы позволяют устранить эти недостатки. В [1-5] говорится о подобных устройствах, но в описании их работы есть неточности. В [2,3] автор трактует работу электронного коммутатора, выполненного на встречно последовательно включенных полевых транзисторах «благодаря встроенным защитным диодам каждый из этих транзисторов работает только при положительной относительно истока полярности напряжения на стоке», что НЕВЕРНО: канал полевого транзистора может пропускать ток любой полярности - лишь бы он был открыт. В случае отрицательной полярности относительно истока канал транзистора будет включен ПАРАЛЛЕЛЬНО защитному диоду. В этих устройствах питание микросхем осуществляется через выпрямительный диод, который является ИЗЛИШНИМ, так как последовательно с ним в цепи питания включен защитный диод одного из транзисторов. Недостаток выше перечисленных устройств - гальваническая связь между силовой цепью и цепями управления. На рис.1 представлена принципиальная схема электронного ключа на полевых транзисторах с оптической развязкой цепей управления и силовой. Устройство работает следующим образом. Учтем, что защитные диоды полевых транзисторов включены катодом к стоку.
В исходном состоянии каналы полевых транзисторов закрыты (нет питания). Пусть положительная полуволна сетевого напряжения присутствует на выводе N. Ток проходит через резистор R3, стабилитрон VD2, защитный диод полевого транзистора VT1, фаза А. На стабилитроне VD2 возникает падение напряжения в 12В. Через диод VD1 заряжается конденсатор С1 и микросхема DA1 получает питание. При отрицательной полуволне сетевого напряжения на выводе N устройство не получает питания, так как защитный диод полевого транзистора VT1 закрыт. На микросхеме DA1 выполнен инвертирующий триггер Шмидта. Использование интегрального таймера DA1 в качестве инвертирующего триггера Шмидта позволяет также улучшить работу схемы. Как видно из схемы - затворы подключены к выводу 7 DA1. Это позволяет шунтировать затворы напрямую к общему проводу при низком выходе (уровень 0), что улучшает помехоустойчивость. Да и сам триггер DA1 имеет гистерезис входных напряжений в 1/3Vсс и 2/3Vcc напряжения питания. Пусть светодиод оптрона U1 не светит и тогда его транзистор будет закрыт. В результате на выводах 2,6 инвертирующего триггера DA1 будет присутствовать высокий уровень напряжения, а на выходе (вывод3) низкий. Транзисторы VT1,VT2 закрыты и нагрузка обесточена. Если светит светодиод оптрона U1, он открывает его транзистор. На выводах 2,6 инвертирующего триггера DA1 низкий уровень напряжения, а выходе 3 высокий уровень напряжения, который открывает полевые транзисторы VT1,VT2 и нагрузка получает питание. Ток нагрузки проходит через открытый канал транзистора VT1,открытый канал транзистора VT2 и его защитный диод (для случая- на фазе А положительная полуволна сетевого напряжения). При отрицательной полуволне на фазе А ток нагрузки проходит через открытый канал транзистора VT1 и его защитный диод, открытый канал транзистора VT2 (защитный диод закрыт). Рассмотрим, как получает питание устройство при открытых каналах транзисторов VT1,VT2. Пусть на фазе А действует положительная полуволна. Ток проходит через открытый канал транзистора VT1,стабилитрон VD2 (падение напряжение на нем 0,7В), резистор R3,вывод N. На фазе А действует отрицательная полуволна. Ток проходит через открытый канал транзистора VT1 и его открытый защитный диод, стабилитрон VD2 (падение на нем 12В), резистор R3,вывод N. При использовании устройства совместно с индуктивной нагрузкой, между стоками транзисторов VT1-VT2 необходимо установить диод 1,5КЕ400СА, защищающий их от всплесков напряжения, возникающих на индуктивной нагрузке при её коммутации.
Литература:
1.Устройство защиты аппаратуры от аномального напряжения сети.
М. Озолин Радио №6, 2007г., с.36-37.
2. Мощные переключательные транзисторы как стабилизаторы
и ограничители напряжения.
И. Нечаев Радио №2, 2007г., с.39-40.
3. Таймер для аппаратуры с сетевым питанием.
И. Нечаев Радио №3, 2007г., с.45.
4. Защита аппаратуры от превышения напряжения сети.
И. Нечаев Радио №10, 2004г., с.29-30.
5. Регулятор мощности на полевых транзисторах.
И.Нечаев Радио №4, 2005г., с.42.
